1 引言
人类诱导多能干细胞（hiPSC）技术的发展革新了基础心脏研究，使得生成患者特异性的hiPSC来源心肌细胞（hiPSC-CM）和工程化心脏组织（EHT）作为病理生理模型成为可能。然而，hiPSC-CM的不成熟性引发了其用于药物研究时，其功能与成熟人类心肌组织的可比性问题。本研究聚焦于维持离子稳态的关键机制——Na+/K+-ATP酶（NKA），旨在比较hiPSC-CM与成人心脏组织中NKA的生物物理特性和功能相关性，并评估hiPSC-CM作为药物筛选模型的适用性。
2 方法
研究使用从健康对照者皮肤活检建立的hiPSC系，通过特定信号分子（如视黄酸）诱导分化，分别构建了心房和心室工程化心脏组织（aEHT和vEHT）。作为对比，从接受心脏外科手术的患者中获得成人心房和心室组织样本。研究方法包括：
- 1.
基因表达分析：通过RNA测序分析NKA的α和β亚基在hiPSC-EHT与成人心脏组织中的mRNA表达丰度。
- 2.
电生理测量：使用全细胞膜片钳技术记录NKA泵电流（INKA），测量其钾离子浓度依赖性和电压依赖性，并评估特异性NKA抑制剂哇巴因对INKA的阻断效能。
- 3.
动作电位与收缩力测量：使用尖锐微电极记录EHT和成人组织的动作电位，评估哇巴因对动作电位时程（APD）及平台期电压的影响。同时，测量组织收缩力，评估哇巴因的正性肌力和毒性作用。
- 4.
计算建模：使用已建立的人心室、心房CM及心室hiPSC-CM电生理模型，模拟NKA阻断的直接和间接影响，并探索IK1电流在调控NKA抑制敏感性中的作用。
3 结果
3.1 NKA亚基表达谱
2亚基占主导，而心房组织中α1占主导。在两种EHT中，α1亚基均为主要α亚型，表明EHT中α1/α2比值高于成人心脏组织。心室组织（包括EHT和成人组织）中主要亚型的基因表达始终高于心房组织。">
RNA测序结果显示，在成人心室组织中，α2亚基是主要的α亚型，而在心房组织中α1占主导。与此不同，在心房和心室EHT中，α1亚基均是主要的α亚型。因此，EHT中的α1/α2比值普遍高于成人心脏组织。无论成人组织还是EHT，β1亚基均为主要β亚型。心室组织（包括EHT和成人组织）中主要亚型的基因表达始终高于心房组织。
3.2 NKA电流强度
NKA）的钾依赖性。INKA密度在心室hiPSC-CM和成人CM中高于心房对应组织，且hiPSC-CM与成人CM的电流密度无显著差异。">
研究测量了在激活NKA时产生的泵电流（INKA）。结果显示，心室成人细胞的INKA密度高于心房成人细胞。更重要的是，在研究的核心背景下，hiPSC-CM中的泵电流与成人CM中的电流没有差异。同样，心室hiPSC-CM的INKA密度也高于心房hiPSC-CM。
3.3 NKA的生物物理特性
NKA在aEHT和vEHT心肌细胞中均表现为外向电流，且幅度随电位更正而增大。哇巴因对INKA的抑制在aEHT和vEHT之间无显著差异。">
NKA的活性主要受胞外K+浓度调节。测量显示，hiPSC-CM中NKA的K0.5值接近前人报道的动物和人类CM数据，表明其K+依赖性正常。INKA在aEHT和vEHT的CM中于整个相关电压范围内均为外向电流，并随电压升高而增加，其电流-电压关系与成人CM报道相似。
3.4 hiPSC-CM中的NKA对哇巴因高度敏感
测量显示，哇巴因能以浓度依赖性的方式降低hiPSC-CM中的INKA。哇巴因对aEHT和vEHT的半数抑制浓度（EC50）分别约为17 nM和27 nM，两者间无显著差异，表明hiPSC-CM中的NKA与人类心脏一样对强心苷类药物高度敏感。
3.5 NKA阻断对EHT动作电位的影响
20，但延长APD90。">
20和APD90。">
研究表明，200 nM哇巴因使EHT的启动电位（TOP）去极化（负值减小），导致动作电位幅度（APA）降低。同时，该浓度显著缩短了两种EHT的动作电位20%复极时程（APD20），但对APD90的影响不同：在vEHT中缩短，在aEHT中反而延长。增加哇巴因浓度至300 nM时，所有aEHT均在1分钟内发生剧烈去极化并停止搏动。相比之下，vEHT可耐受300 nM超过15分钟，在浓度增至400 nM后才停止。成人左心室组织则可耐受更高浓度（1 μM）。
3.6 EHT对哇巴因正性肌力的敏感性高于成人心脏组织
在成人心房组织中，0.1 μM和0.3 μM哇巴因增强了收缩力，但在1 μM时收缩力下降。相比之下，在自发性搏动的vEHT和aEHT中，0.1 μM哇巴因即增加收缩力，但浓度升至0.3 μM时，aEHT的收缩力被完全抑制，vEHT的收缩力也大幅下降。这表明EHT对哇巴因收缩抑制效应的敏感性远高于成人心脏组织。
3.7 NKA阻断效应的计算模拟
+/K+浓度、SR Ca2+负载、舒张电位、APD以及细胞内Ca2+瞬变、INCX和ICaL的变化。">
Kur阻断的心房CM模型中的影响。模拟显示，心房特异性超快激活延迟整流钾电流（IKur）的阻断通过改变平台期电压影响IKr激活，从而逆转了NKA阻断对APD90的延长效应。">
计算模拟用于深入探究NKA阻断的直接和间接影响。模拟结果表明，NKA阻断导致细胞内Na+积累，从而通过钠钙交换体（NCX）的反向模式增加肌浆网（SR）的Ca2+负载和细胞内Ca2+瞬变，这与观察到的正性肌力效应一致。模拟还揭示了哇巴因对vEHT（APD90缩短）和aEHT（APD90延长）产生不同影响的原因：心房特异性超快激活延迟整流钾电流（IKur）的存在影响了平台期电压，从而改变了对NKA阻断的复极反应。此外，模拟发现hiPSC-CM中较弱的内向整流钾电流（IK1）是导致其对NKA阻断诱导的去极化更加敏感的关键因素。将模型中的IK1电导恢复至成人水平后，舒张膜电位在NKA阻断下的稳定性显著提高。
4 讨论
本研究有三个主要发现：首先，hiPSC-CM具有与人心肌细胞大小无差异的NKA电流。其次，vEHT和aEHT对NKA阻断的APD90反应差异，复现了在人类心脏组织中观察到的腔室特异性反应模式。第三，hiPSC-CM的舒张电位对NKA阻断特别敏感。
研究证实了hiPSC-CM表达的NKA在生物物理特性（如K+依赖性、电压依赖性）和对强心苷的敏感性方面与人类心肌细胞相似，并且重现了心室与心房组织在NKA表达和功能上的差异。然而，关键的局限性在于，尽管单个INKA功能正常，但hiPSC-CM构建的EHT在整体功能水平（收缩力抑制和舒张电位去极化）上对NKA抑制表现出更高的整合敏感性。计算模拟将此归因于hiPSC-CM中IK1电流较弱，导致其电稳定性较差，更易在NKA功能受损时发生去极化。
5 结论
hiPSC-CM拥有生理水平的INKA，具有典型的K+依赖性和对强心苷的敏感性。EHT重现了NKA阻断对最终复极的腔室特异性影响，表明aEHT准确模拟了人类心房组织对已知药物的反应，这使其有潜力成为识别新型抗房颤药物的有用模型。然而，EHT对NKA阻断毒性的敏感性远高于成人心肌。这种超高的敏感性与hiPSC-CM中IK1电流较弱有关。在将基于hiPSC-CM的制剂用于药理学研究时，必须仔细考虑这一特性，因为它可能导致在安全药理学筛选中高估药物的毒性或致心律失常风险。
